基于低頻電源法的采區(qū)電纜漏電監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭西峰

（山西汾西礦業(yè)集團(tuán)曙光煤礦， 山西 孝義 032300）

引言

對采區(qū)供電電纜進(jìn)行在線監(jiān)測，不僅可以節(jié)省人力，監(jiān)測出電纜對地的真實(shí)絕緣電阻值，而且有利于及早發(fā)現(xiàn)漏電隱患，能夠準(zhǔn)確地判斷出漏電線路，并且可以對線路漏電變化趨勢做出預(yù)判。這些優(yōu)點(diǎn)可以彌補(bǔ)人力監(jiān)測的不足，確保采區(qū)供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行[1-3]。硬件電路是整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)，因此，要求硬件電路能準(zhǔn)確、有效地采集到特征信號，并在允許的精度范圍內(nèi)將特征信號進(jìn)行處理，減少或抑制干擾，保證監(jiān)測結(jié)果的可靠性[4]。

1 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

采區(qū)電纜漏電監(jiān)測系統(tǒng)的硬件組成框圖如圖1所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)硬件組成框圖

由上圖可知，硬件系統(tǒng)分為以下4個(gè)部分[5]：

1）信號采集、處理。選用適合微信號和低頻率的電流傳感器，采集低頻信號，將采集信號經(jīng)過濾波等環(huán)節(jié)的處理后，最終變化為數(shù)字信號送給單片機(jī)。

2）單片機(jī)系統(tǒng)。單片機(jī)對采集到的數(shù)字信號進(jìn)行處理，并將處理結(jié)果通過液晶屏顯示線路動態(tài)電阻值和電容值得變化情況。當(dāng)電阻值達(dá)到警示設(shè)定值，單片機(jī)輸出信號進(jìn)行警示或者報(bào)警；根據(jù)對電容的監(jiān)測結(jié)，調(diào)節(jié)可調(diào)電感器，實(shí)現(xiàn)對容性電流的補(bǔ)償。此外，正弦信號的產(chǎn)生也由單片機(jī)完成。

3）低頻正弦信號。為了得到穩(wěn)定的低頻信號，減少單片機(jī)電路板線路之間的相互干擾，可以設(shè)計(jì)單獨(dú)的正弦信號產(chǎn)生電路。

4）電源。每個(gè)電路模塊均需要供電系統(tǒng)，尤其在有源濾波電路和信號放大電路中需要有穩(wěn)定、可靠電源為芯片供電，所以需要設(shè)計(jì)滿足電路和芯片要求的供電系統(tǒng)。

2 單片機(jī)的選擇

在單片機(jī)作為核心控制器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，CPU的選擇尤為重要。監(jiān)測系統(tǒng)需要能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測供電線路絕緣電阻值的情況，處理大量的實(shí)時(shí)動態(tài)數(shù)據(jù)，并且及時(shí)預(yù)報(bào)、判斷漏電故障的發(fā)生，這對單片機(jī)的快速性、實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和多功能性提出很高的要求。本文硬件設(shè)計(jì)中選用了實(shí)時(shí)性和快速性都比較好的AT89S52作為中央處理器，該芯片完全可以滿足硬件電路設(shè)計(jì)要求。

3 信號采集單元

信號采集流程圖如圖2所示。

圖2 信號流程圖

3.1 信號變換電路

信號轉(zhuǎn)換電路的作用是將低頻電流信號變換成交流電壓信號。電路如圖3所示，通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻R1將電壓信號調(diào)至符合A/D轉(zhuǎn)換要求范圍。電路中由運(yùn)算放大器OP07組成電壓跟隨器，它能起到系統(tǒng)內(nèi)外部之間高壓隔離、阻抗比配和抗干擾的作用。

圖3 信號變換電路

圖3 中使用的集成芯片OP07是一種低噪聲放大器，該芯片采用雙極性供電，非斬波穩(wěn)零，在使用中不會給電路帶來很大干擾；在沒有接入輸入信號時(shí)，芯片輸出端最大失調(diào)電壓僅為25μV，所以在很多使用該芯片的電路中沒有調(diào)零電路，同時(shí)該芯片開環(huán)放大倍數(shù)（即增益）很高，這些優(yōu)點(diǎn)使得該芯片在對微弱信號的放大領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，例如對傳感器檢測信號的放大?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)，本文中多處電路設(shè)計(jì)中會使用該芯片。

3.2 濾波電路設(shè)計(jì)

監(jiān)測中需要采集低頻電壓、電流信號。電流互感器檢測到的低頻信號包括工頻及高次諧波，因此需要設(shè)計(jì)濾波電路濾除干擾頻率，保留10 Hz低頻信號。

濾波器是一種選聘網(wǎng)絡(luò)，傳輸指定頻段信號，抑制其它頻段信號。按是否使用有源器件分類，濾波器可分為無源濾波器與有源濾波器；根據(jù)電路構(gòu)成的不同，濾波器可分為低通、高通、帶通、帶阻、全通濾波電路。無源濾波器電路比較簡單，一般由R、L、C構(gòu)成。無源濾波電路中，常因R的分壓，使濾波輸出信號幅值衰減，濾波效果欠佳。有源濾波器含有運(yùn)算放大器，具有輸入阻抗高、輸出阻抗小和反饋的特性，消除了R分壓問題；此外，還因?yàn)橛性礊V波器體積小、性能穩(wěn)定，頻率范圍約為10-3～106Hz，頻率穩(wěn)定度可達(dá)到10-3～10-5℃，頻率精度為3%～5%，并可用簡單的級聯(lián)來得到高階濾波器且調(diào)諧也很方便。因而被廣泛應(yīng)用于通信、測量及控制技術(shù)中的小信號處理。本文采用有源濾波電路。

本文將設(shè)計(jì)雙T帶阻濾波電路用以消除50 Hz工頻信號，同時(shí)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)二階壓控電壓源帶通濾波器選出10 Hz低頻信號。

3.2.1 雙T帶阻濾波電路

如圖4所示，濾波電路由R1、R2、C3構(gòu)成的低通濾波電路、由 C1、C2、R3構(gòu)成的高通濾波電路、反饋網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)算放大器組成。每個(gè)無源濾波電路均由2個(gè)元件，構(gòu)成英文字母Three，故稱之為雙T網(wǎng)絡(luò)。輸入信號的低通截止頻率小于高通截止頻率形成阻帶。

圖4 50 Hz陷波電路

3.2.2 10 Hz低頻帶通濾波電路

低頻帶通濾波電路如圖5所示。有源帶通濾波器相當(dāng)于有源低頻、高通濾波器的組合，頻率交叉部分可以通過，而比通頻帶下限頻率低和比上限頻率高的信號均加以衰減或抑制。

圖5 低頻帶通濾波電路

3.3 前置放大電路

經(jīng)過濾波后的采集信號仍然十分微弱，要將信號放大到一定的倍數(shù)供后續(xù)電路處理。為減小電路導(dǎo)通時(shí)電阻的影響，要求前置放大電路輸入阻抗一定要很高，為滿足這一要求和提高放大精度，采用集成運(yùn)放設(shè)計(jì)放大電路。高度集成的運(yùn)放通用性較強(qiáng)，噪聲系數(shù)小，溫漂和失調(diào)電壓、電流也很小，增益、共模抑制比高，一般開環(huán)增益很高（可達(dá)104），用在負(fù)反饋放大電路中，其電壓增益僅與外電阻的比值相關(guān)，與運(yùn)放本身參數(shù)無關(guān)。所以本文使用了高精密放大器AD620對采集信號進(jìn)行放大。

3.4 電壓偏移電路

使用ADC0809轉(zhuǎn)換芯片對信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，該芯片具有8位分辨率，可以采用單端或差分模式輸入信號，本文中使用該芯片單端輸入模式，所以，在A/D轉(zhuǎn)換之前對被測模擬交流信號進(jìn)行電壓偏移，將其電壓提升至0～5 V。電路如圖6所示。

圖6 電壓偏移電路

3.5 采樣保持電路

模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片需要采集模擬輸入量在某一時(shí)刻的瞬時(shí)電壓，將采集量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。由于轉(zhuǎn)換過程需要一定的時(shí)間，如果在轉(zhuǎn)換過程中送給ADC的模擬量發(fā)生變化，就不能保證轉(zhuǎn)換精度。所以，采樣保持電路的作用就是保證模數(shù)轉(zhuǎn)換期間，輸入給ADC的量保持不變，直到下一個(gè)采樣時(shí)間再取出一個(gè)模擬信號值來代替原來的值。這就決定了電路有兩種工作狀態(tài)，即“采樣”和“保持”。ADC工作期間，采樣保持器將保持轉(zhuǎn)換開始時(shí)的輸入值保持不變，因此能抑制由放大器干擾帶來的轉(zhuǎn)換噪聲，提高ADC的精確度，消除轉(zhuǎn)換時(shí)間的不準(zhǔn)確性。

圖中7中，巧信號控制開關(guān)S的導(dǎo)通與關(guān)閉。當(dāng)Vf為采樣信號時(shí)，S導(dǎo)通，輸入信號Vin向電容CH充電，Vout隨著Vin的變化而變化；當(dāng)Vf為保持信號時(shí)，S斷開，Vout將保持在S斷開瞬間的Vin的數(shù)值。圖中放大器A為具有高輸入阻抗和緩沖特性，使得CH與負(fù)載隔離，防止CH上的電荷在保持階段經(jīng)負(fù)載瀉放。

圖7 采樣保持原理圖

4 A/O轉(zhuǎn)換、報(bào)警電路和顯示裝置

4.1 A/D轉(zhuǎn)換

A/D轉(zhuǎn)換采用的是ADC0809芯片，芯片采用CMOS工藝，自帶8位A/D轉(zhuǎn)換器，8通道迷你輸入端，可以根據(jù)需要，采用分時(shí)復(fù)用的方法，選擇某一個(gè)或者某一個(gè)通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。芯片采用逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，由于內(nèi)部自帶輸出鎖存器，可以與AT89S52單片機(jī)直接相連。采集信號可以通過多通道輸入，使用該芯片可以滿足系統(tǒng)對快速性和可靠性的要求。

4.2 報(bào)警電路

報(bào)警電路設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖8 報(bào)警電路

采區(qū)供電電纜的絕緣報(bào)警設(shè)備由單片機(jī)的P1.3、P1.2管腳控制。當(dāng)監(jiān)測阻值低于設(shè)定預(yù)警值時(shí)，P1.3變?yōu)楦唠娖?，?qū)動發(fā)光二極管閃爍，給出給出警示信息；當(dāng)監(jiān)測電阻低于設(shè)定報(bào)警值時(shí)，P1.2管腳變?yōu)楦唠娖剑蜷_蜂鳴器驅(qū)動電路，發(fā)光二極管閃爍，發(fā)出報(bào)警信號，提醒值班人員及時(shí)出現(xiàn)故障[6]。

4.3 顯示裝置

由于井下環(huán)境潮濕、惡劣，顯示裝置應(yīng)該選用穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)，顯示亮度清晰，同時(shí)具有控制指令豐富、底功耗、體積小等特點(diǎn)的顯示裝置。綜合上述，選擇使用1602液晶顯示，它是工業(yè)字符型液晶，能夠同時(shí)顯示16×2（16列2行）個(gè)字符。它的工作電壓3.3 V或5 V，屏幕亮度可調(diào)，內(nèi)含復(fù)位電路，在低功耗和小型儀表系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，能夠滿足本文的設(shè)計(jì)要求。

5 可調(diào)電感電路設(shè)計(jì)

很多文獻(xiàn)對可調(diào)電感電路進(jìn)行了研究。本文中用到的電感值比較大，采用含有鐵芯的電感線圈，通過調(diào)節(jié)鐵芯與電感線圈的之間的間隙，實(shí)現(xiàn)對電感值得調(diào)節(jié)。

使用步迸電機(jī)來調(diào)節(jié)電感器的電感值。根據(jù)單片機(jī)對電容值得監(jiān)測結(jié)果，產(chǎn)生對步進(jìn)電機(jī)控制的信號，當(dāng)電容值接近零時(shí)，控制信號消失。步進(jìn)電機(jī)每前進(jìn)一步，就對控制信號做一次檢查，直到控制信號消失。該方法雖然實(shí)現(xiàn)較為笨重，但是不會產(chǎn)生高頻噪聲，而且簡單實(shí)用。

6 抗干擾措施

6.1 抑制干擾源的產(chǎn)生

1）可能存在干擾源（如電感、可控硅等）的兩端并聯(lián)適當(dāng)?shù)碾娙菀韵娙莸牟▌有?，串?lián)電感、電阻或者增設(shè)續(xù)流二極管消除電流變化帶來的干擾；

2）在復(fù)位等開關(guān)處并聯(lián)RC串聯(lián)支路，濾除開關(guān)抖動帶來的噪聲信號；

3）電路板中集成電路供電接口并聯(lián)高頻電容（如10～100 pF），減小集成模塊對電源的干擾；布線中合理使用直角折線，降低高頻噪聲發(fā)射。

6.2 切斷傳播途徑

1）使用帶阻、帶通選頻網(wǎng)絡(luò)以及低通濾波器等消除工頻和諧波影響，晶振布線要合理，晶振外殼接地且固定，位置靠近單片機(jī)，并使用地線將晶振區(qū)隔離。

2）電路板分區(qū)要合理，如數(shù)字信號區(qū)、模擬信號區(qū)、強(qiáng)信號區(qū)、弱信號區(qū)。盡可能把干擾源與敏感元件遠(yuǎn)離。

3）數(shù)字區(qū)、模擬區(qū)使用地線隔離，最后在接在電源地處。

4）供電模塊抗干擾設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中用到的電源模塊，采用技術(shù)成熟、穩(wěn)定性好集成穩(wěn)壓芯片，每個(gè)單元么模塊相互獨(dú)立，并在相應(yīng)管腳增加合適的電容，防止電源可能對監(jiān)測結(jié)果造成的影響。

5）在芯片的輸入、輸出端口以及電源線、電路板連接線等位置放置抗干擾器件，如濾波器、光電隔離器等。

7 結(jié)論

選擇采用改進(jìn)低頻電源法構(gòu)建漏電監(jiān)測系統(tǒng)，改進(jìn)低頻電源法消除了電纜電容變化對監(jiān)測結(jié)果造成的影響，能夠很好地實(shí)現(xiàn)對電纜真實(shí)電阻值的動態(tài)監(jiān)測。